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经过亿万年的进化过程,鱼类获得了无比优越的游动性能。相比起人造的水下自主航行器,鱼类的游动具有速度快、效率高、机动性强、噪声小等特点。近年来,主要靠身体和尾鳍的周期性摆动来实现向前推进的身体/尾鳍型(Body and/or Caudal Fin,BCF)鱼类已成为仿生学领域中重要的仿生对象。但是人们对于鱼类的游动机理的认识还有很多不足。 本文根据鱼类的生理结构,将由肌肉、骨骼、皮肤等复杂粘弹性结构组成的BCF柔性鱼体简化为多刚体串联结构,其中鱼体的粘弹性被简化为各关节的刚度和阻尼,鱼体的肌肉驱动则被简化为特定关节的主动力矩。基于大摆幅细长体理论计算鱼体各处受到的水作用力,并考虑鱼体运动过程中受到的阻力和升力,利用基于解耦的自然正交补矩阵的多体动力学方法建立BCF柔性鱼体的游动模型。在零位将游动模型线性化,建立鱼体的横向振动方程,根据大摆幅细长体理论,计算鱼体受到的平均推力,并依此计算鱼体的游动速度。 应用Saha等人提出的动力学迭代方法可以对此游动模型进行数值求解。数值计算结果表明,在正弦力矩激励下,鱼体实现从静止加速,最终达到稳定直线游动状态。分析了不同激励力矩和激励频率下鲹科和鳗鲡科鱼体的游动特性。结果表明,在激励力矩较小时,随着激励频率增加,鱼体的尾尖摆幅和游动速度在鱼体固有频率附近有峰值;随着激励力矩增大,尾尖摆幅和游动速度增大,峰值变得不明显甚至消失。数值求解结果表明,鱼体所受升力和尾部集中力对鱼体摆动有阻尼作用;升力对鳗鲡科鱼体的阻尼作用更明显。 最后用硅胶材料制作了柔性仿生鱼,开展了运动学测量实验和静止推进力测量实验。实验结果表明,在小摆幅下,随着驱动频率升高,在某频率附近,鱼体的游动速度出现峰值。当摆幅过大,此峰值现象消失。鱼体的静止推进力的测量结果有同样的规律。